〔讀城〕從波譜學(xué)看量子藝術(shù)

文/李后強(qiáng)

四川省社會(huì)科學(xué)院教授

當(dāng)科學(xué)與藝術(shù)在量子層面相遇，波譜將成為解讀微觀世界美學(xué)的語言，量子藝術(shù)則揭示了自然美本質(zhì)的數(shù)學(xué)奧秘。

量子藝術(shù)作為科學(xué)與藝術(shù)融合的新興領(lǐng)域，借助量子理論的概念和視覺元素，探索新的藝術(shù)表現(xiàn)形式。波譜學(xué)作為研究電磁輻射與物質(zhì)相互作用的學(xué)科，為我們理解量子藝術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。通過分析物質(zhì)對(duì)電磁波的響應(yīng)，波譜學(xué)揭示了微觀世界的量子規(guī)律，這些規(guī)律成為藝術(shù)家創(chuàng)作的新語言和新工具。

從波譜學(xué)視角看量子藝術(shù)，不僅能深化我們對(duì)自然美本質(zhì)的理解，還能為美的數(shù)字化表達(dá)提供創(chuàng)新路徑，包括蒙特卡洛方法、4D打印技術(shù)和高維空間數(shù)學(xué)。

01 波譜學(xué)與量子世界的語言

波譜學(xué)是研究電磁輻射與物質(zhì)相互作用的學(xué)科，以電磁波與物質(zhì)共振相互作用為基礎(chǔ)，分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。波譜頻率范圍在10?～1011赫茲之間，對(duì)應(yīng)微波波段。根據(jù)量子力學(xué)理論，原子、分子等微觀粒子可處于一系列分立的狀態(tài)，兩個(gè)態(tài)間的躍遷產(chǎn)生光譜線，形成波譜。波譜學(xué)中的核磁共振（NMR）、電子自旋共振（ESR）、拉曼光譜等技術(shù)，通過測(cè)量這些能級(jí)躍遷，獲取物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)信息。波譜是量子現(xiàn)象的直接體現(xiàn)。微觀粒子的能量狀態(tài)是量子化的，其能級(jí)躍遷遵循量子力學(xué)規(guī)律。例如，原子核外電子的躍遷產(chǎn)生紫外和可見光譜，原子核自旋能級(jí)的躍遷產(chǎn)生核磁共振譜。波譜學(xué)是連接宏觀世界與微觀量子世界的橋梁。通過波譜分析，我們可以“看見”量子世界的奇妙現(xiàn)象，如量子疊加、量子糾纏等，這些現(xiàn)象成為量子藝術(shù)創(chuàng)作的靈感源泉。我們指的波譜是波長從0到范圍。

02 波譜學(xué)與量子藝術(shù)的交匯

量子藝術(shù)是將量子科學(xué)概念與藝術(shù)創(chuàng)作融合的新領(lǐng)域。藝術(shù)家從量子疊加、量子糾纏、量子隧穿等概念中汲取靈感，創(chuàng)造具有量子特征的藝術(shù)作品。2015年，歐盟核能研究實(shí)驗(yàn)室（CERN）邀請(qǐng)藝術(shù)家參與創(chuàng)作名為“量子”的大型藝術(shù)展覽，開創(chuàng)了量子藝術(shù)研究的先河。 近年來，中國藝術(shù)家也積極投身量子藝術(shù)創(chuàng)作，如法籍華人藝術(shù)家陸永安的《量子·山海》系列作品，融合東方水墨意境與西方抽象表現(xiàn)主義。波譜學(xué)為量子藝術(shù)提供了科學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。波譜學(xué)揭示的量子現(xiàn)象成為藝術(shù)家的創(chuàng)作素材，而波譜分析技術(shù)如核磁共振、拉曼光譜等，也可直接用于藝術(shù)創(chuàng)作過程。自然美的本質(zhì)是量子藝術(shù)。根據(jù)量子理論，自然美源于微觀粒子的量子規(guī)律，這些規(guī)律通過波譜學(xué)得以揭示。我們認(rèn)為，藝術(shù)是一種能量，可以用頻率來表示。自然美的量子本質(zhì)在于微觀粒子量子態(tài)的波動(dòng)與共振，這種波動(dòng)與共振通過波譜形式呈現(xiàn)，形成我們所感知的美。例如，花朵的顏色源于電子能級(jí)躍遷對(duì)特定光波的反射，其微觀結(jié)構(gòu)（如分子排列、晶格振動(dòng)）的波譜特征與宏觀美感形成映射。費(fèi)曼曾強(qiáng)調(diào)，科學(xué)家與藝術(shù)家對(duì)美的認(rèn)知雖不同，但自然美的數(shù)學(xué)規(guī)律（如對(duì)稱性、共振頻率）是共通的。量子藝術(shù)正是通過波譜學(xué)揭示的量子現(xiàn)象（如疊加態(tài)、糾纏態(tài)）重構(gòu)美學(xué)表達(dá)。

03 從波譜到美的數(shù)字化展示

美的數(shù)字化是將美學(xué)元素和創(chuàng)作過程轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式的過程。蒙特卡洛方法通過隨機(jī)抽樣模擬復(fù)雜系統(tǒng)，成為量子藝術(shù)數(shù)字化的核心工具。例如，利用隨機(jī)游走算法生成的分形圖案（如布朗運(yùn)動(dòng)軌跡），其概率分布與量子隨機(jī)性高度契合。該方法通過大量隨機(jī)路徑的疊加，直觀呈現(xiàn)波函數(shù)概率云的本質(zhì)。蒙特卡洛方法是創(chuàng)造美的重要工具，它以概率統(tǒng)計(jì)理論為指導(dǎo)，通過隨機(jī)數(shù)解決計(jì)算問題。在量子藝術(shù)中，藝術(shù)家利用蒙特卡洛方法模擬量子隨機(jī)性，生成具有不確定性的數(shù)字藝術(shù)作品比如《哪吒2》。

三維雕塑與4D打印技術(shù)為量子藝術(shù)提供了新的表現(xiàn)形式。藝術(shù)家可以通過數(shù)字建模軟件創(chuàng)建量子概念的三維模型，然后使用4D打印技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為物理實(shí)體。4D打印的特別之處在于，打印出的物體能夠隨時(shí)間推移發(fā)生形態(tài)、顏色、溫度等變化，這恰似量子世界的疊加態(tài)與坍縮過程。這種動(dòng)態(tài)特性使得藝術(shù)作品能夠展現(xiàn)量子態(tài)隨時(shí)間的演化，為觀眾提供沉浸式的量子美學(xué)體驗(yàn)。4D打印技術(shù)通過智能材料（如形狀記憶聚合物）將時(shí)間維度引入雕塑，使作品在環(huán)境中動(dòng)態(tài)演化。比如，4D打印的鮮花在不同季節(jié)可以具有不同顏色、造型。數(shù)學(xué)家Henry Segerman利用球面投影將四維超立方體轉(zhuǎn)化為3D打印模型，例如“超立方體上的猴子”雕塑，通過幾何扭曲暗示高維空間的存在。這類作品不僅拓展了雕塑的維度，更使不可見的量子概念（如高維糾纏）具象化。

量子糾纏是量子力學(xué)中最神秘的現(xiàn)象之一，愛因斯坦稱之為“鬼魅般的遠(yuǎn)距作用”。 2022年，中國科學(xué)家利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，首次實(shí)現(xiàn)了地球上相距1200公里兩個(gè)地面站之間的量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸。

04從高維空間看量子糾纏的數(shù)學(xué)詮釋

理解量子糾纏需要借助高維空間數(shù)學(xué)概念，如莫比烏斯環(huán)和克萊因瓶等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)能幫助我們理解量子糾纏的非定域性（與距離無關(guān)）。莫比烏斯環(huán)的單側(cè)曲面（只有一面，沒有里外之分）特性模擬了糾纏粒子的不可分性，例如在拓?fù)淞孔佑?jì)算中，莫比烏斯帶用于描述任意子的編織規(guī)則。莫比烏斯環(huán)是從二維到三維的連續(xù)結(jié)構(gòu)，作為一種單側(cè)曲面，象征著量子世界中的非定域關(guān)聯(lián)。克萊因瓶（兩個(gè)莫比烏斯環(huán)的嫁接）作為無定向的閉合曲面，通過四維空間嵌入消除自交，隱喻糾纏系統(tǒng)在更高維度的統(tǒng)一性（在低維是兩個(gè)、在高維是一個(gè)）。克萊因瓶是從三維到四維的連續(xù)結(jié)構(gòu)，但我們?nèi)S空間的人無法看到四維空間的東西，因此克萊因瓶可以把地球上大海的水全部裝進(jìn)去，這個(gè)結(jié)構(gòu)幫助我們理解量子糾纏中相互關(guān)聯(lián)的特性。這些工具將抽象糾纏關(guān)系轉(zhuǎn)化為可視幾何結(jié)構(gòu)，為量子藝術(shù)提供理論支撐。例如，TeamLab的交互裝置《無序中的和諧》利用克萊因瓶的拓?fù)溥壿嫞層^眾在光影流動(dòng)中體驗(yàn)量子關(guān)聯(lián)的連續(xù)性。

分形幾何（如曼德博集合，空間維數(shù)可以連續(xù)化，有分?jǐn)?shù)維數(shù)比如1.38維、2.65維）通過迭代公式生成無限精細(xì)的結(jié)構(gòu)，其自相似性對(duì)應(yīng)量子多體系統(tǒng)的尺度不變性。現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，大自然演化幾乎都是分形結(jié)構(gòu)。埃舍爾的作品（如《圓形極限》）早以藝術(shù)語言預(yù)言了分形與雙曲幾何的關(guān)聯(lián)，被譽(yù)為“量子藝術(shù)先驅(qū)”。他是最像數(shù)學(xué)家的藝術(shù)家，不少數(shù)學(xué)定理都是他先于數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)。埃舍爾的“不可能結(jié)構(gòu)”作品（如《相對(duì)論》）通過視覺悖論模擬量子糾纏的非定域性，挑戰(zhàn)了經(jīng)典時(shí)空觀。未來，結(jié)合量子計(jì)算的分形算法可實(shí)時(shí)生成動(dòng)態(tài)分形，模擬量子場(chǎng)論的真空漲落。華遠(yuǎn)在《科學(xué)性美學(xué)美本質(zhì)論的創(chuàng)新34點(diǎn)》中指出，美本質(zhì)是時(shí)空定位良性循環(huán)參照下整體性與簡潔性矛盾統(tǒng)一的信息中介。這一觀點(diǎn)與量子糾纏的高維空間解釋相呼應(yīng)，美的本質(zhì)在于高維時(shí)空信息的良性循環(huán)與動(dòng)態(tài)平衡。

我們認(rèn)為，量子思維比新技術(shù)應(yīng)用更能凸顯藝術(shù)本質(zhì)的“新”與“先鋒性”。在量子藝術(shù)中，藝術(shù)家通過高維數(shù)學(xué)工具表達(dá)量子糾纏的奇妙現(xiàn)象，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)藝術(shù)的確定性觀念，探索作品的多重意義和可能性。

05 量子數(shù)字藝術(shù)的未來路徑

量子數(shù)字藝術(shù)作為新興領(lǐng)域，未來發(fā)展前景廣闊。隨著量子計(jì)算和人工智能技術(shù)的進(jìn)步，量子數(shù)字藝術(shù)將創(chuàng)造更為沉浸式和互動(dòng)性強(qiáng)的藝術(shù)體驗(yàn)。未來，量子數(shù)字藝術(shù)可能在以下方向發(fā)展——

量子計(jì)算與藝術(shù)創(chuàng)作的深度融合。量子計(jì)算機(jī)的超高計(jì)算能力將使藝術(shù)家能夠模擬更為復(fù)雜的量子系統(tǒng)，創(chuàng)造出前所未有的藝術(shù)形式。量子計(jì)算+AI，量子生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（QGAN）可創(chuàng)作兼具隨機(jī)性與協(xié)調(diào)性的數(shù)字藝術(shù)，例如通過調(diào)控糾纏強(qiáng)度生成“量子繪畫”。

腦機(jī)接口與量子藝術(shù)的結(jié)合。通過腦機(jī)接口技術(shù)，觀眾的意識(shí)（如腦電波）可能直接與量子藝術(shù)作品互動(dòng)（如通過意念控制虛擬粒子的疊加態(tài)），實(shí)現(xiàn)真正的“觀者參與創(chuàng)作”，將深化對(duì)“觀察者效應(yīng)”的體驗(yàn)

跨學(xué)科合作的加強(qiáng)。量子藝術(shù)家需要與科學(xué)家、工程師、哲學(xué)家等更緊密地合作，共同探索量子藝術(shù)的新邊界。

量子數(shù)字藝術(shù)將推動(dòng)美學(xué)理論的革新。傳統(tǒng)美學(xué)理論基于確定性思維，而量子藝術(shù)引入不確定性、疊加態(tài)等概念，將挑戰(zhàn)并豐富現(xiàn)有美學(xué)理論體系。

量子數(shù)字藝術(shù)正在成為藝術(shù)創(chuàng)作的新前沿。國內(nèi)外已有不少藝術(shù)家和機(jī)構(gòu)投身這一領(lǐng)域。例如，TeamLab數(shù)字藝術(shù)團(tuán)隊(duì)通過“身體運(yùn)動(dòng)粒子”與“光影反饋波”的動(dòng)態(tài)耦合，將抽象的信息中介機(jī)制轉(zhuǎn)化為可感知的交互體驗(yàn)。歐盟核能研究實(shí)驗(yàn)室（CERN）持續(xù)推動(dòng)藝術(shù)與科學(xué)的對(duì)話，通過藝術(shù)家駐場(chǎng)計(jì)劃促進(jìn)量子藝術(shù)發(fā)展。量子藝術(shù)不僅拓展了藝術(shù)的表現(xiàn)邊界，也為我們理解自然美的本質(zhì)提供了新的視角，成為連接科學(xué)與藝術(shù)的橋梁。量子藝術(shù)將推動(dòng)美學(xué)理論從確定性向概率性轉(zhuǎn)型，量子糾纏的“整體性”挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)美學(xué)的局部還原論，可能建立以關(guān)聯(lián)性為核心的新美學(xué)范式。隨著量子科技的進(jìn)步，量子數(shù)字藝術(shù)將展現(xiàn)出更為廣闊的發(fā)展前景。通過數(shù)字化技術(shù)（蒙特卡洛法、4D打印）與高維數(shù)學(xué)工具（莫比烏斯環(huán)、克萊因瓶），量子藝術(shù)正開創(chuàng)一種兼具科學(xué)精確性與美學(xué)創(chuàng)造力的新范式。未來，隨著量子科技與人文藝術(shù)的深度融合，我們有望在糾纏的時(shí)空維度中重新定義美與真實(shí)，或許能夠通過量子虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，沉浸式地體驗(yàn)量子糾纏的美妙過程，感受微觀世界的奇妙與神秘。

波譜學(xué)作為連接微觀量子與宏觀藝術(shù)的橋梁，揭示了自然美的本質(zhì)是量子規(guī)律的涌現(xiàn)。波譜學(xué)為量子藝術(shù)提供科學(xué)基礎(chǔ)，量子藝術(shù)則通過美學(xué)形式展現(xiàn)量子世界的奇妙，促進(jìn)科學(xué)知識(shí)的普及和理解。二者相互促進(jìn)，共同推動(dòng)人類文明的發(fā)展。